(57)【要約】【課題】燃料ガスの漏洩を適切に感知することができ、かつ、メンテナンス負荷を低減させることのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本燃料電池システムは、水素ガスをアノードガスとして利用する燃料電池と、当該燃料電池のアノードガス通路上に設けられ、付臭剤を水素ガスに添加させる付臭剤添加手段と、当該燃料電池のガス通路上の上記付臭剤添加手段よりも下流側に設けられ、供給されるガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離手段と、上記付臭剤分離手段により分離された付臭剤を上記付臭剤添加手段に供給する付臭剤再利用手段とを備える。【選択図】  図１
2007073416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスをアノードガスとして利用する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードガス通路上に設けられ、付臭剤を前記水素ガスに添加させる付臭剤添加手段と、
前記燃料電池のガス通路上の、前記付臭剤添加手段よりも下流側に設けられ、供給されるガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離手段と、
前記付臭剤分離手段により分離された付臭剤を前記付臭剤添加手段に供給する付臭剤再利用手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
付臭剤が添加された水素ガスをアノードガスとして利用する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードガス通路上に設けられ、付臭剤を水素ガスに添加させる付臭剤添加手段と、
前記燃料電池のアノードオフガス通路上に設けられ、アノードオフガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離手段と、
前記付臭剤分離手段により分離された付臭剤を前記付臭剤添加手段に供給する付臭剤再利用手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項３】
前記付臭剤分離手段は、
前記アノードオフガス中の水素ガスを分離させる水素ガス分離手段を更に備え、
前記水素ガス分離手段により分離された水素ガスを前記アノードガス通路へ合流させる循環路、
を更に備える請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記付臭剤分離手段は、
前記アノードオフガス中の窒素を除去する窒素除去手段、
を更に備える請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、付臭剤を用いた燃料ガス漏洩検知の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給し、同カソードに酸化ガスを供給することにより、それらの化学反応を利用して発電を行うものである。燃料ガスとして水素ガスが利用され、酸化ガスとして酸素又は空気が利用されるものがある。
【０００３】
そして、水素ガスを燃料ガスとして利用する燃料電池システムでは、可燃性の高い水素ガスの漏洩を早期に感知するため、水素ガスと付臭剤との混合ガスが燃料ガスとして用いられる。しかし、付臭剤は、混合ガス中において濃度が高くなると、燃料電池スタック内の触媒の活性を低下させ、燃料電池の出力特性を劣化させる。
【０００４】
このような問題を解決する燃料電池システムとして、付臭剤濃度を制御する装置を燃料電池スタックの上流部に設ける手法が提案されている（下記特許文献１参照）。また、上述の制御装置の代わりに、付臭剤脱臭部、付臭剤除去部を設ける手法（下記特許文献２及び３参照）も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１１１１６７号公報
【特許文献２】特開２００２−２９７０１号公報
【特許文献３】特開２００４−１３４２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、付臭剤濃度制御装置等の点検及び交換を定期的に行う必要があることから、メンテナンス負荷が増大する傾向にあった。
【０００６】
例えば、上記特許文献１に開示されるシステムでは、燃料ガスの付臭剤濃度に応じて付臭剤が随時添加されるため、付臭剤濃度制御装置が保持する付臭剤を定期的に補給する必要がある。上記特許文献２及び３に開示されるシステムでは、付臭剤脱臭部等により付臭剤が脱臭されるにつれ、除去された付臭剤がこれに吸着し脱臭機能を劣化させるため、当該付臭剤脱臭部の正常動作を確認する手段が必要となる。更に、吸着された付臭剤に含有される硫黄等により付臭剤脱臭部は劣化しやすいため、付臭剤脱臭部の頻繁な交換が必要となる。
【０００７】
また、従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックの上流部に脱臭部を設けているため、燃料電池スタック及びその下流部での水素ガス漏れを検知することができないという問題があった。
【０００８】
また、従来の液体水素燃料を用いた燃料電池システムでは、付臭剤を液体水素燃料に混合させることは原理的に不可能であるため、この付臭剤を用いたガス漏れ手法を採用することができないという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、燃料ガスの漏洩を適切に感知することができ、かつ、メンテナンス負荷を低減させることのできる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。即ち、本発明は、水素ガスをアノードガスとして利用する燃料電池と、当該燃料電池のアノードガス通路上に設けられ、付臭剤を水素ガスに添加させる付臭剤添加手段と、当該燃料電池のガス通路上の上記付臭剤添加手段よりも下流側に設けられ、供給されるガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離手段と、上記付臭剤分離手段により分離された付臭剤を上記付臭剤添加手段に供給する付臭剤再利用手段とを備える燃料電池システムについてのものである。
【００１１】
本発明では、水素ガスの漏洩検知のために付臭剤添加手段により、付臭剤を水素ガスに添加させる。その後、付臭剤分離手段により付臭剤が添加された水素ガスから付臭剤を分離させ、その分離させた付臭剤が再度、付臭剤添加手段に供給される。
【００１２】
これにより、本発明によれば、燃料ガスとなる水素ガスに付臭剤が添加されつつも、付臭剤が再利用されるため、燃料ガスの漏洩を感知することができ、かつ、付臭剤添加手段に付臭剤を補給する作業負荷を軽減させることができる。
【００１３】
また、本発明は、付臭剤が添加された水素ガスをアノードガスとして利用する燃料電池と、当該燃料電池のアノードガス通路上に設けられ、付臭剤を水素ガスに添加させる付臭剤添加手段と、当該燃料電池のアノードオフガス通路上に設けられ、アノードオフガス中の付臭剤を分離する付臭剤分離手段と、前記付臭剤分離手段により分離された付臭剤を前記付臭剤添加手段に供給する付臭剤再利用手段とを備える燃料電池システムについてのものである。
【００１４】
本発明では、付臭剤添加手段により付臭剤が添加された水素ガスが燃料電池に供給され、発電に供しなかった水素ガスと共にアノードオフガスとして送出された付臭剤がアノードオフガス通路に設けられた付臭剤分離手段により分離される。更に、分離された付臭剤は、付臭剤添加手段に供給され再利用される。
【００１５】
これにより、本発明によれば、付臭剤添加手段に付臭剤を補給する作業負荷を軽減させることができ、かつ、付臭剤が添加された水素ガスが燃料電池を通過させられるため、燃料電池及びその下流部からの水素ガス漏れを検知することができる。
【００１６】
また、上記付臭剤分離手段は、アノードオフガス中の水素ガスを分離させる水素ガス分離手段を更に備え、この水素ガス分離手段により分離された水素ガスを上記アノードガス通路へ合流させる循環路を更に備えるようにしてもよい。
【００１７】
本発明では、付臭剤分離手段において付臭剤を分離させると共に、水素ガス分離手段により水素ガスが分離され、この水素ガスが上記循環路により燃料ガスとして再利用される。
【００１８】
これにより、本発明では、発電に供されなかった水素ガスを再利用することができるとともに、他の混合物を概ね除去した状態で水素ガスを再利用することができる。すなわち、システム内を循環する水素ガス中の付臭剤の濃度を所定の濃度に抑えることができ、燃料電池内の触媒の劣化を抑えることができる。ひいては、燃料電池の出力特性の低下を防ぐことができる。
【００１９】
また、上記付臭剤分離手段は、アノードオフガス中の窒素を除去する窒素除去手段を更に備えるようにしてもよい。
【００２０】
本発明では、付臭剤分離手段において付臭剤を分離させると共に、窒素除去手段によりアノードオフガス中の窒素が除去される。
【００２１】
これにより、アノードオフガス中の必要ない窒素等を除去し、それ以外の付臭剤等を再利用することが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料ガスの漏洩を適切に感知することができ、かつ、メンテナンス負荷を低減させる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
［実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００２４】
〔システム構成〕
まず、本発明の実施形態における燃料電池システムのシステム構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態としての燃料電池システムのシステム構成の概略を示すブロック図である。本実施形態における燃料電池システムは、水素ガス供給装置１０１、水素付臭装置１０２、燃料電池スタック（以降、ＦＣスタックと表記する）１０３、分離器１０４、付臭剤供給装置１０５を有する。なお、図１は、説明の便宜のため本発明に直接関連する機能部のみを示すが、これら以外に、流量制御・調圧バルブ、水素ガス循環ポンプ、パージ弁、エアコンプレッサ等、燃料電池システムを構成する他の機能部を設けるようにしてもよい。
【００２５】
水素ガス供給装置１０１は、燃料ガスとなる水素ガスを貯蔵する。水素ガス供給装置１０１は、貯蔵されている水素ガスをＦＣスタック１０３へ供給する。水素ガス供給装置１０１から供給される水素ガスは、流量制御・調圧バルブ等（図示せず）により所定流量及び所定圧力に調整され、アノードガス通路１１０へ送出される。アノードガス通路１１０へ送出された水素ガスは、アノードオフガス通路１１３を循環される水素ガスと合流し、付臭装置１０２に供給される。なお、水素ガス供給装置１０１は、液体水素を貯蔵するようにしてもよい。この場合には、水素ガス供給装置１０１は、蒸発器等を内部に備え、液体水素をその蒸発器により気化させた水素ガスを供給するようにしてもよい。
【００２６】
付臭装置１０２は、アノードガス通路１１０から供給された水素ガスに付臭剤を添加する。以降、この水素ガスに付臭剤が添加されたガスを混合ガスと表記する。付臭装置１０２は、この混合ガスをアノードガス通路１１１へ送出する。送出された混合ガスは、ＦＣスタック１０３のアノードに供給される。
【００２７】
付臭装置１０２により添加される付臭剤には、例えば、液体の付臭剤が用いられる。また、付臭剤には、刺激臭のある有機化合物で燃料電池の出力特性を劣化させ難いものを用いることが望ましいため、非硫黄系若しくは非窒素系の有機化合物を用いることが望ましい。
【００２８】
そして、燃料ガス中の付臭剤の濃度は、人間が検知し得る程度に維持される必要がある。よって、付臭装置１０２は、付臭剤の濃度が５ｐｐｍ（Parts Per Million）以上となるよう、提供される水素ガス容量に応じて添加させる付臭剤の量を制御するようにしてもよい。このとき、付臭装置１０２は、液体の付臭剤に水素ガスを流し込むバブラー方式、水素ガスに霧状にした付臭剤を吹きかけるインジェクター方式、付臭剤の液体を熱して出た蒸気を水素ガスと混合させる方式等の方式を用いて、水素ガスに付臭剤を添加させる。
【００２９】
また、付臭剤は、付臭装置１０２内部に備えられたタンク（図示せず）に貯蔵されるよ
うにしてもよい。この場合、付臭剤循環路１１５を通る付臭剤がこのタンクに随時補給され、水素ガスの供給量に応じて所定の濃度となるよう付臭剤がこのタンクから送出される。
【００３０】
ＦＣスタック１０３は、アノードに供給された混合ガスに含まれる水素ガスとカソードに供給された酸素ガスを用いて発電する。アノードに供給された混合ガスのうち発電に供しなかった水素ガス及び付臭剤、カソードから透過する窒素ガス等（以降、これら全て混合されたものをアノードオフガスと表記する）は、ＦＣスタック１０３からアノードオフガス通路１１２へ送出される。カソードに供給された酸化ガスのうち発電に供しなかった主なものは、ＦＣスタック１０３からカソードオフガス通路１１８へ送出される。
【００３１】
分離器１０４は、アノードオフガスから水素ガスとそれ以外（窒素ガス、付臭剤等）を分離させる。分離された水素ガス以外のガスは、分離ガス通路１１４へ送出される。分離された水素ガスは、アノードオフガス通路１１３へ送出される。アノードオフガス通路１１３へ送出された水素ガスは、燃料ガス循環ポンプ等により循環され、水素ガス供給装置１０１から供給される純粋な水素ガスと合流し、ＦＣスタック１０３のアノードに供給される。
【００３２】
付臭剤供給装置１０５は、分離ガス通路１１４から供給されるガス（窒素ガス、付臭剤等）から付臭剤とそれ以外のガスに分離させる。付臭剤は、付臭剤循環路１１５を通り、付臭装置１０２に供給される。分離されたそれ以外の窒素ガス等は、排気するための排気通路１１９へ送出される。
【００３３】
以下、分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５の詳細について、図２を用いて説明する。図２は、分離器及び付臭剤供給装置の詳細構成を示す図である。
【００３４】
分離器１０４は、内部に分離膜１２０を有し、この分離膜１２０によりアノードオフガスから水素ガスを分離させる。分離膜１２０は、水素ガスのみを選択的に通過させる膜であればよく、例えば、Ａｉｒ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社の「Ｐｒｉｓｍ」等のポリスルホン製膜、Ｐｒａｘａｉｒ社の「ＩＭＳ」等のポリイミド製膜が挙げられる。それ以外でも、ポリスルホン、ポリアラミド、セルロースアセテート、ポリフェニレンオキシド、シリコンラバー素材の膜を用いるようにしてもよい。なお、本実施形態では分離膜１２０により水素ガスとそれ以外を分離させるが、触媒等を用いて化学的に分離するようにしてもよい。
【００３５】
分離器１０４は、アノードオフガス通路１１２及び１１３、分離ガス通路１１４に接続される。分離器１０４は、アノードオフガス通路１１２経由でＦＣスタック１０３からのアノードオフガスの提供を受ける。また、分離器１０４は、分離された水素ガスをアノードオフガス通路１１３へ送出し、水素ガスが分離されたアノードオフガス（窒素、付臭剤等の混合ガス）を分離ガス通路１１４へ送出する。
【００３６】
このとき、分離ガス通路１１４へ送出されるアノードオフガスは、２つの形態が考えられる。すなわち、窒素ガス及び付臭剤等の混合ガスとして分離通路１１４に送出される場合と、分離膜１２０によりアノードオフガスから水素ガスを選択的に通過させる際に付臭剤が液化され、液化された付臭剤と窒素ガス等が分離通路１１４に送出される場合とが考えられる。
【００３７】
付臭剤供給装置１０５は、分離ガス通路１１４から水素ガスが分離されたアノードオフガスの提供を受け、そのガスから付臭剤とそれ以外とを分離させる。付臭剤供給装置１０５は、分離ガス通路１１４から供給される液化された付臭剤については、そのままの形で付臭剤循環路１１５へ送出する。一方、窒素ガス等の混合ガスに含まれる付臭剤について
は、付臭剤供給装置１０５は、冷却器（図示せず）で冷却することにより液化し、それ以外の窒素ガス等と気液分離器（図示せず）で分離する。液化された付臭剤は付臭剤循環路１１５へ送出され、それ以外の窒素ガス等は排気通路１１９へ送出される。液化された付臭剤は、付臭剤循環路１１５を重力により流れるようにしてもよいし、付臭剤供給装置１０５から付臭装置１０２へ押し出されるようにしてもよい。
【００３８】
〈実施形態の作用効果〉
以上述べたように、本発明の実施形態の燃料電池システムは、燃料ガス供給装置１０１から供給される水素ガスが通るアノードガス通路１１０に付臭装置１０２を設け、ＦＣスタック１０３の下流部（アノードオフガス通路）に分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５を設ける。
【００３９】
このような構成を有する本燃料電池システムでは、付臭装置１０２により水素ガス供給装置１０１から供給される水素ガスに付臭剤が添加され、ＦＣスタック１０３のアノードに提供される。
【００４０】
このように、水素ガスと付臭剤との混合ガスをＦＣスタック１０３を通過させるため、ＦＣスタック１０３及びその下流部からの水素ガス漏れを検知することができる。
【００４１】
一方、ＦＣスタック１０３の下流では、分離器１０４により、ＦＣスタック１０３から送出されたアノードオフガスから水素ガスとそれ以外のもの（付臭剤及び窒素ガス等）に分離される。分離された水素ガス以外のガスは、付臭剤供給装置１０５により付臭剤と窒素ガス等に分離される。分離された付臭剤は、付臭剤循環路１１５を通り、付臭装置１０２へ随時補給される。また、分離された窒素ガス等は、排気通路１１９へ送出される。
【００４２】
このように、使用済み付臭剤が再利用されるため、付臭装置１０２に付臭剤を補給する必要がなく、付臭装置１０２のメンテナンス負荷を低減させることができる。
【００４３】
また、分離器１０４により分離された水素ガスは、再利用されるべく、水素ガス供給装置１０１から供給される水素ガスと合流する。
【００４４】
これにより、発電に供されなかった水素ガスを再利用することができる。このとき、分離器１０４の分離膜１２０によりアノードオフガスから水素ガスを選択的に通過させるため、他の混合物を概ね除去した状態で水素ガスを再利用することができる。
【００４５】
すなわち、システム内を循環する燃料ガス中の付臭剤の濃度を所定の濃度に抑えることができ、ＦＣスタック１０３内の触媒の劣化を抑えることができる。ひいては、燃料電池の出力特性の低下を防ぐことができる。
【００４６】
なお、付臭装置１０２を設けることにより、液体水素を燃料とした燃料電池システムにも適用することができる。
【００４７】
〔第１変形例〕
本発明の上述の実施形態では、分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５がＦＣスタック１０３の下流に設けられているが、当該分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５をＦＣスタック１０３の上流に設けるようにしてもよい。以下、このような構成を採る第１変形例の燃料電池システムについて図３を用いて説明する。図３は、第１変形例における燃料電池システムのシステム構成の概略を示す図である。
【００４８】
第１変形例における燃料電池システムでは、アノードガス通路１１１に分離器１０４が
設けられる。分離器１０４は、付臭装置１０２から送出される混合ガスから水素ガスを選択的に通過させ、アノードガス通路１３１へ送出する。アノードガス通路１３１へ送出された水素ガスは、ＦＣスタック１０３のアノードへ供給される。
【００４９】
水素ガスが分離されると付臭剤が液化され、液化された付臭剤が分離ガス通路１１４に送出されるか、又は、付臭剤ガスとして分離ガス通路１１４へ送出される。
【００５０】
そして、液化された付臭剤については、付臭剤供給装置１０５により更に付臭剤通路１１５へ送出され、付臭装置１０２に供給される。また、付臭剤ガスは、付臭剤供給装置１０５により冷却等がなされる。それにより液化された付臭剤が付臭装置１０２に供給される。なお、本システムを構成する各機能部は、上述の実施形態と同様である。
【００５１】
このように分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５をＦＣスタック１０３の上流に設けることにより、混合ガスから付臭剤を除去した状態の水素ガスをＦＣスタック１０３へ供給することができるようになる。
【００５２】
よって、本変形例によれば、ＦＣスタック１０３内の触媒を劣化させ易い硫黄化合物若しくは窒素化合物を付臭剤として利用した場合に有効となる。
【００５３】
〔第２変形例〕
本発明の上述の実施形態では、アノードオフガス通路１１２側に分離器１０４及び付臭剤供給装置１０５を設けているが、カソードオフガス通路１０８上にも更に設けるようにしてもよい。
【００５４】
これは、クロスリーク等により、ＦＣスタック１０３のアノード側へ供給される混合ガス中の付臭剤のうちカソード側へ漏れ出すものについても再利用するための構成である。この場合には、カソード側へ漏れ出した付臭剤を分離し、付臭装置１０２へ補給する通路を設けるようにする。
【００５５】
また、上述の実施形態及び変形例では、アノードオフガス中の水素ガスが循環されるようアノードオフガス通路が設けられているが、水素ガスが循環されないような構成のシステムにおいても有効である。この場合には、水素ガスは再利用されないが、付臭剤のみ再利用されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態としての燃料電池システムの概略機能構成を示す図である。
【図２】分離器及び付臭剤供給装置の詳細構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態の変形例としての燃料電池システムの概略機能構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１  水素ガス供給装置
１０２  付臭装置
１０３  燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１０４  分離器
１０５  付臭剤供給装置
１１０、１１１、１３１  アノードガス通路
１１２、１１３  アノードオフガス通路
１１４  分離ガス通路
１１５  付臭剤循環路
１１８  カソードオフガス通路
１１９  排気通路
１２０  分離膜
【図１】
2007073416.tif 000003
【図２】
2007073416.tif 000004
【図３】
2007073416.tif 000005